[發(fā)明專利]一種風(fēng)電制氫儲(chǔ)能的氫燃料復(fù)合電池及其發(fā)電方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710363226.1
• 申請日: 2017-05-22
• 公開（公告）號: CN107017651A
• 公開（公告）日: 2017-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王亞斌;李曉峰;史衛(wèi)澤
• 申請（專利權(quán)）人: 北京鑫海港億科技有限公司;北京理工大學(xué)
• 主分類號: H02J3/32
• 分類號: H02J3/32;H02J3/38;H01M8/0656
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11360
• 代理人: 王巖

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及直接碳燃料電池技術(shù)，具體涉及一種風(fēng)電制氫儲(chǔ)能的氫燃料復(fù)合電池及其發(fā) 電方法。

背景技術(shù)

能源是人類經(jīng)濟(jì)的支柱，也是社會(huì)活動(dòng)的必須動(dòng)力。目前主要通過熱機(jī)獲得社會(huì)活動(dòng)所 需的初級動(dòng)力，然后轉(zhuǎn)化為電能。由于熱機(jī)受到卡諾循環(huán)的限制，效率提高較為困難，造成 了能源浪費(fèi)、污染排放增加等問題。因此開發(fā)高效、清潔的電能獲取方式，稱為能源發(fā)展的 必然方向。

風(fēng)能等可再生能源自身特點(diǎn)決定了風(fēng)電是典型的隨機(jī)性、間歇性電源，然而隨著風(fēng)力發(fā) 電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對電網(wǎng)的影響將更加顯著，這已成為制約風(fēng)電等可再生能源發(fā)電規(guī)模化 發(fā)展的嚴(yán)重障礙。研究表明，儲(chǔ)能技術(shù)具有動(dòng)態(tài)吸收能量并適時(shí)平穩(wěn)釋放的特點(diǎn)，能有效彌 補(bǔ)風(fēng)電等可再生能源發(fā)電間歇性、波動(dòng)性的缺點(diǎn)，改善電場輸出功率的可控性，提升發(fā)電的 穩(wěn)定性水平。

電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)能量密度大，響應(yīng)時(shí)間長，不受地域限制，非常適用于風(fēng)電的儲(chǔ)能需求。 電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)相對較成熟，其中，電解制氫復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)具有大容量、長壽命、低成 本及環(huán)境友好等優(yōu)勢，且其各主要組成部分的技術(shù)成熟度較高，在大規(guī)模電力儲(chǔ)能領(lǐng)域具有 較為廣闊的應(yīng)用前景。

燃料電池是繼火電、水電和核電之后的第4代發(fā)電技術(shù)，它是唯一兼?zhèn)錈o污染、高效率、 適用廣、無噪聲和具有連續(xù)工作和模塊化特點(diǎn)的動(dòng)力裝置，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的 高效清潔發(fā)電技術(shù)。作為燃料電池的一種，氫燃料電池以氫氣為燃料作還原劑，氧氣作氧化 劑，通過燃料的燃燒反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾姵兀c原電池的工作原理相同。

氫燃料電池工作時(shí)，向氫電極供應(yīng)氫氣，同時(shí)向氧電極供應(yīng)氧氣。氫氣、氧氣在電極上 的催化劑作用下，通過電解質(zhì)生成水，此時(shí)氫電極上有多余電子帶負(fù)電，氧電極上由于缺少 電子而帶正電。接通電路后，這一類似于燃燒的反應(yīng)過程就能連續(xù)進(jìn)行。其具有如下特點(diǎn)： 產(chǎn)物是水，清潔環(huán)保；容易持續(xù)通氫氣和氧氣，產(chǎn)生持續(xù)電流；能量轉(zhuǎn)換率較高；排放廢棄 物少；噪音低。因此，氫氧燃料電池近年來受到人們的廣泛關(guān)注。

目前國內(nèi)外氫燃料電池的相關(guān)專利的研究內(nèi)容基本上圍繞著燃料電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電極 材料、反應(yīng)裝置、電解質(zhì)組成優(yōu)化以及氫氣的制造與儲(chǔ)存系統(tǒng)等方面。

近年來，我國風(fēng)電發(fā)展迅猛，截至2012年底風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到7532萬千瓦，全年發(fā)電量1004 億千瓦時(shí)，均居全球第一。風(fēng)電裝備產(chǎn)業(yè)也取得長足進(jìn)步，技術(shù)水平逐步趕超世界先進(jìn)。在 風(fēng)電發(fā)展取得了舉世矚目成績的同時(shí)，風(fēng)電消納困難、棄風(fēng)電量逐年增加的問題也凸顯出來。 但由于風(fēng)電具有間歇性，不易控制和調(diào)度，風(fēng)電上網(wǎng)難題仍沒有取得突破性進(jìn)展。

隨著科技創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步，儲(chǔ)能技術(shù)和手段也不斷豐富。相對于電化學(xué)和其它儲(chǔ)能手段， 利用風(fēng)電電解水制氫、儲(chǔ)氫成本相對較低，具有較高的推廣價(jià)值。

2014年，由中國節(jié)能環(huán)保集團(tuán)公司負(fù)責(zé)的國家863“風(fēng)電直接制氫及燃料電池發(fā)電系統(tǒng) 技術(shù)研究與示范”項(xiàng)目，在中節(jié)能風(fēng)電公司張北分公司建設(shè)風(fēng)電場，制氫功率為100kW，燃 料電池發(fā)電為30kW。

2015年，由河北建投新能源有限公司投資，與德國McPhy、Encon等公司聯(lián)合開展的中 德合作示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目在河北沽源投建10MW電解水制氫系統(tǒng)，配合200MW風(fēng)電場制氫， 項(xiàng)目建成后，可形成年制氫1752萬標(biāo)準(zhǔn)立方米的生產(chǎn)能力，成為我國目前最大的風(fēng)電制氫示 范項(xiàng)目。

加拿大的Smart是目前世界上利用電解水制氫和開發(fā)氫能汽車最為有名的公司，其開發(fā) 的HESfp系統(tǒng)包括一個(gè)能日產(chǎn)氫25kg的堿性電解槽、一個(gè)能儲(chǔ)存60kg氫的高壓儲(chǔ)氫罐和氫 內(nèi)燃機(jī)車，其用于汽車的氫能系統(tǒng)每小時(shí)可產(chǎn)氫3kg，能夠?yàn)?輛巴士提供能量。

Hmnilton是另一個(gè)有名的電解槽開發(fā)制造商，其ES系列利用PEM電解槽技術(shù)，可實(shí)現(xiàn) 每小時(shí)產(chǎn)氫6～30Nm³，所制氫的純度可達(dá)99.999％。由于電解槽造價(jià)還比較昂貴，尤其是 PEM電解槽，使得制氫成本較其他制氫方式的成本高。當(dāng)電解槽和太陽能電池聯(lián)合使用制氫 時(shí)，產(chǎn)氫成本約24～41USD/GJ，和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組聯(lián)合使用時(shí)，制氫成本則降為11～20USD/GJ。

發(fā)明內(nèi)容

為解決因風(fēng)能的間歇性、波動(dòng)性以及輸電容量限制等因素導(dǎo)致的大規(guī)模棄風(fēng)問題，本發(fā) 明提供一種風(fēng)電制氫儲(chǔ)能的氫燃料復(fù)合電池及其發(fā)電方法，在電網(wǎng)用電負(fù)荷較低時(shí)，將風(fēng)電 直接制成氫氣儲(chǔ)存起來，在負(fù)荷系統(tǒng)處于用電高峰時(shí)，再將儲(chǔ)存的氫氣通過燃料電池轉(zhuǎn)化為 電能回饋給電網(wǎng)，為解決大規(guī)模風(fēng)電儲(chǔ)存提供一種新途徑。